热晶体：像操纵光线一样操纵热能

光线可以通过透镜进行聚焦和散射，但我们能不能让单纯的“热”像光线一样“聚焦”呢？近日麻省理工学院（MIT）一位名为马丁·马尔多瓦（Martin Maldovan）的科研人员研发了一套新技术，让人们可以像控制光线一般操控热能。

这项技术的关键是使用合金化半导体纳米晶体（nanostructured semiconductor alloy crystal），其理论依据为——热量与声波相同，都是由物质的原子晶格震动而产生。用这种理论解释，声音实质上是由一束“声子”（与光子的概念类似）震动产生的。我们都知道，使用光子晶体（比如透镜）可以控制光线的通路，那么声子晶体便可以控制声音的通路，自然，“热声子（heat phonons）晶体”便可以控制热量的通路。

马丁·马尔多瓦是麻省理工学院材料科学与工程学院的研究科学家，他解释说，不同材质的区别在于它们适配于不同种类能量的不同波长。马尔多瓦的最新研究发表在1月11日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

如上所示是热能晶格，它是热晶体最有可能的应用方向之一。在此结构中，准确排列的空气间隔（黑色圆圈）将成为热波的传导通路，而热能不会外泄至彩色的区域中。图片来自马丁·马尔多瓦。

马尔多瓦解释道，热量和声音的不同在于它们的波频，声波频率较低，在千赫兹级别；热波频率则要高得多，在太赫兹（万亿赫兹）级别。利用热的波性实现对其的控制，“这是一种前所未有的创新”。

为了模仿控制声波的手段来控制热量，马尔多瓦的首要任务是降低这些“热声子”的震动频率，让其更加接近声音的波频区间。马尔多瓦将这种降频的热量成为“超音速热波（hypersonic heat）”。

“声子可以到达千里之外，但热声子只能到达纳米之外。这就是为什么即使有太赫兹级别的震动在发生，你也‘听’不到温度。”马尔多瓦继续解释道，声波频率的跨度相对于较小，而热量比声音难控制一大原因是频率跨度太大。马尔多瓦说，“我们要把它的频率降下来”，要将频率降至热量和声波的边缘区间。为了达成这一目的，他使用了掺入纳米锗粒子的硅材料，并将这种材质制成薄膜，使热声子的震动频率降到了理想水平。

使用此技术后，热波的频率会被集中到100到300吉赫兹（千兆赫兹），多数热声子还会以特定方向传播，不会四处发散。达成此目的后，效仿声子晶体的工作模式，便可使用特定晶体控制热波的通路。因为这种晶体是用于控制热量的，马尔多瓦创造性地将其称为“热晶体（thermocrystals）”，这是一种前所未有的材料种类。

热晶体的应用领域相当广泛，比如热能发电，之前的热电材质无法控制热量的方向，好比一颗石子丢进水中，潋滟四面八方。但这种新技术通过对热子的处理，实现了热波的定向传播，可以方便快捷地把热量转化为电能，大大提高转化效率。马尔多瓦补充道，热波单向传播的特性还可被用于制造热能二极管，诸如此类等等。

此技术的另一用途是将热量汇聚到一个极小的点上，就像凸透镜把光汇聚到一个点上一样，利用热晶体的特性，人们说不定还能制造出可见光及微波无法探测到的“隐形衣”。

北卡罗来纳州RTI国际研究院固体热力学中心（Center for Solid State Energetics）的高级研究总监罗摩·文卡塔萨布拉曼尼亚（Rama Venkatasubramanian，好长的名字）表示，使用固体材料控制热能是一个非常有意思的尝试。但他补充说，此模型还不够成熟，“关于不同声子波长的理论很复杂，温度如何影响热传导比率的因素也必须被考虑在内，别说是纳米材料了，连简单材质都难考量这些因素。不过，这份研究的出炉可以引起许多人的兴趣，并引导人们在这个方向上进行更多的探索。”

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文章编译自：MIT How to treat heat like light

作者： David L. Chandler,